國內(nèi)外雷電預(yù)警系統(tǒng)研究狀況
摘自：《提高雷電預(yù)警準確性的方法研究》
作者:李博琛、胡耀祖、黃建加、李柏林
摘要：
大氣電場監(jiān)測是現(xiàn)代雷電監(jiān)測中很重要的一部分。通過用大氣電場儀來測量大氣電場及其變化是現(xiàn)在主要的監(jiān)測手段，根據(jù)測量得到的大氣電場變化曲線可以監(jiān)測幾公里范圍內(nèi)的雷暴活動，可以對局部地區(qū)潛在的雷暴活動及靜電電擊的危險性做出短期預(yù)報，發(fā)出雷電預(yù)警信息。現(xiàn)有的磨機式大氣電場輻值預(yù)警方式也有較大的局限性，需長期維護、其預(yù)警時間短、誤報率較高。近年來，有少數(shù)單位嘗試采用多站大氣電場儀聯(lián)網(wǎng)進行雷電預(yù)警，但數(shù)據(jù)一致性難題一直無法解決，同時還存在信息僅能在同一網(wǎng)段局域網(wǎng)內(nèi)使用，數(shù)據(jù)不能及時共享，使得預(yù)警信息的發(fā)布不及時。
為此本文主要將提高固態(tài)大氣電場儀雷電預(yù)警準確性作為主要研究目標，通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、分離大氣靜電場和躍變電場、多點大氣電場儀群組、計算雷云運動軌跡、外部傳感器擬合數(shù)據(jù)等手段提高大氣電場儀在雷電預(yù)警功能上的準確性。通過以上手段結(jié)合兩年的實地數(shù)據(jù)采集和分析取得了一定的效果，為今后雷電預(yù)警的廣泛應(yīng)用提供了有力的研究數(shù)據(jù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。
1雷電預(yù)警系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
1.1國外研究現(xiàn)狀
目前，廣泛使用的雷電監(jiān)測預(yù)警方式主要有雷電定位、大氣電場監(jiān)測、衛(wèi)星閃電監(jiān)測、氣象雷達雷暴監(jiān)測等。雷電定位就其定位原理可分為磁定向法、達到時間差法、時差定向混合法等，一般在幾百公里至上千公里的范圍內(nèi)布設(shè)多個雷電定位儀組成雷電定位系統(tǒng)，適應(yīng)于大范圍的雷電監(jiān)測，在氣象和電力部門應(yīng)用較廣，這類雷電定位系統(tǒng)適合大范圍雷電監(jiān)測。大氣電場是一個非常重要的雷電參數(shù)，雷電的發(fā)生總是與大氣電場密切相關(guān)的，要發(fā)生雷電，大氣中電位梯度需達到大氣擊穿電位梯度。據(jù)研究，近地面層干空氣的擊穿電位梯度約3×106V/m。在霧中，空氣擊穿電位梯度約106V/m。當(dāng)大氣電位梯度達到大氣的擊穿電位梯度時，將會有雷電的發(fā)生。因此，大氣電場監(jiān)測是現(xiàn)代雷電監(jiān)測中很重要的一部分。
目前，主要發(fā)達國家已基本上建立了雷電自動監(jiān)測網(wǎng)，用于大區(qū)域雷電監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)，同時為雷電的防護及科學(xué)研究提供有用的信息。如美國、加拿大、法國、英國、日本等國家都相繼建成了閃電定位網(wǎng)，累積了豐富的雷電參量觀測資料，促進了這些國家在雷電防護、短時天氣預(yù)報與服務(wù)、云物理和化學(xué)研究等領(lǐng)域的發(fā)展。
北美（美國、加拿大）約有187個測站組成的雷電監(jiān)測站網(wǎng)。該雷電監(jiān)測網(wǎng)還可以采用廣域網(wǎng)的定位工作方式，聯(lián)合法國、日本、巴西等國家和地區(qū)的雷電監(jiān)測網(wǎng)，在互聯(lián)網(wǎng)上提供實時的全球雷電定位數(shù)據(jù)。
日本氣象協(xié)會從1995年開始在關(guān)東地區(qū)啟動了雷電監(jiān)測系統(tǒng)，提供雷電實時監(jiān)測及雷電信息服務(wù)。日本氣象協(xié)會利用法國公司生產(chǎn)的大氣電場儀進行兩種雷電活動適時預(yù)報：地閃預(yù)報和地閃的移動、發(fā)展預(yù)報。
1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國雷電定位技術(shù)是從上世紀80年代末開始發(fā)展起來，目前有幾百個雷電定位系統(tǒng)的監(jiān)測站，主要由氣象、電力、民航和軍隊建設(shè)和使用，這些系統(tǒng)在雷電災(zāi)害天氣監(jiān)測、雷電防護等多方面得到廣泛應(yīng)用。
中科院空間中心在美國閃電定位產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了基于閃電監(jiān)測定位的雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，它以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電場數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了實時監(jiān)測、閃電數(shù)據(jù)存儲等功能。
通過對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)分析可知，目前氣象、民航、軍隊建立的雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，主要是通過多普勒雷達和衛(wèi)星等實現(xiàn)雷電監(jiān)測，這類系統(tǒng)適合大區(qū)域、大范圍的雷電監(jiān)測預(yù)警。局部雷暴來得快、突發(fā)性強、危害大?，F(xiàn)在還沒有什么手段對短時雷暴在什么地點、什么時間發(fā)生進行準確預(yù)報。這種局部雷暴對人員密集地區(qū)，特殊行業(yè)具有很大的危害，特別是易燃易爆場所更是十分危險。大范圍雷電、雷暴云預(yù)警由多普勒雷達和衛(wèi)星進行，對于局部的雷電、雷暴云預(yù)警、預(yù)報處于空白階段。目前的局部雷暴預(yù)警是單點進行，即獨立雷電預(yù)警裝置。以裝置為中心構(gòu)成的測量半徑，測量雷暴云的電場強度信號，能夠給出本地測量半徑內(nèi)是否發(fā)生雷電、雷暴預(yù)警，但不能給出雷暴將發(fā)生在測量半徑內(nèi)的具體位置以及雷暴云的走向，預(yù)報精度受到限制。
此外，在地勢位于開闊區(qū)域，重要設(shè)施暴露在外部，目前市場上的機械式雷暴預(yù)警裝置造價高，防水防塵、防腐等級較低，每年需要數(shù)次檢修，不能適應(yīng)開闊地及戶外長期監(jiān)測使用。
2固態(tài)大氣電場儀互聯(lián)網(wǎng)群組布局增強預(yù)警準確性
2.1互聯(lián)網(wǎng)群組布局增強預(yù)警準確性的意義
固態(tài)大氣電場儀將實時數(shù)據(jù)通過GPRS無線方式發(fā)送到云平臺的數(shù)據(jù)中心，與局域網(wǎng)或單點大氣電場儀不同的是，互聯(lián)網(wǎng)群組的固態(tài)大氣電場儀會將各預(yù)警點收集的數(shù)據(jù)建立離散分析、場值勻態(tài)分布分析、類流體場值分析等多種數(shù)學(xué)模型進行精密分析。從分析結(jié)果上就可以客觀的判斷一定范圍內(nèi)部署的固態(tài)大氣電場儀是否存在干擾、設(shè)備一致性差異等失效因素，是整體的預(yù)警判斷更加精準。為了防止個別設(shè)備被干擾時，影響系統(tǒng)對雷電預(yù)警信息的準確性。創(chuàng)建設(shè)備集群的數(shù)量越多，對預(yù)警的準確性也就越高互聯(lián)網(wǎng)群組的固態(tài)大氣電場儀集群通過運算分析還可以將雷電發(fā)生推進的方向通過趨勢演變進行判斷，對雷云發(fā)生雷閃下一階段發(fā)生的可能性進行概率和補償運算。預(yù)算結(jié)果參與到下一集群的預(yù)警預(yù)報當(dāng)中，從而能大大增強預(yù)報的準確性。
《提高雷電預(yù)警準確性的方法研究》全文深入分析研究了以下內(nèi)容，在此省略：
預(yù)警探頭群組布局模型分析
基于蜂窩網(wǎng)格的傳感器節(jié)點定義
基于蜂窩網(wǎng)格的傳感器節(jié)點部署
大氣穩(wěn)態(tài)電場與動態(tài)電場的分離
雷云大氣靜電場數(shù)學(xué)模型
電場強度的確定
靜電場的邊界條件
通過雷云運動軌跡增強預(yù)警的準確性
雷云運動軌跡模型分析
輔助傳感器配合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)判斷雷云軌跡的應(yīng)用
空氣的濕度
風(fēng)速與風(fēng)向
雷電場三維傳感器模型
T30A固態(tài)群組式大氣電場儀運行效果
系統(tǒng)實際運行結(jié)果表明，通過報警信息和氣象資料的對比分析來看，無線傳輸蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)可以對雷電活動進行有效預(yù)警，報警準確率高，從預(yù)警到閃電發(fā)生時間間隔較短，避免了企業(yè)在閃電未發(fā)生前停止作業(yè)時間過長，為企業(yè)的安全生產(chǎn)換取了寶貴時間，有利于提高企業(yè)安全生產(chǎn)效率。
本文在第十三屆防雷減災(zāi)論壇——雷電物理和防雷新技術(shù)交流。
